ЛА́ЗЕРНЫЕ МАТЕРИА́ЛЫ

ЛА́ЗЕРНЫЕ МАТЕРИА́ЛЫ, ве­ще­ст­ва, при­ме­няе­мые в ла­зе­рах в ка­че­ст­ве ак­тив­ных сред. В 1960 соз­дан пер­вый ла­зер, в ко­то­ром роль ак­тив­ной сре­ды вы­пол­нял крис­талл ру­би­на (α-Al₂O₃–Cr³⁺). Позд­нее поя­ви­лись ла­зе­ры, ра­бо­таю­щие на сме­си га­зов Ne и He (1960), на си­ли­кат­ном стек­ле с при­ме­сью ио­нов Nd³⁺ (1961), на крис­тал­лах по­лу­про­вод­ни­ко­во­го со­еди­не­ния GaAs (1962), на рас­тво­рах не­оди­ма в не­ор­га­нич. жид­ко­сти SeOCl₂, на рас­тво­рах ор­га­нич. кра­си­те­лей (1966). К 2010 из­вест­но неск. со­тен Л. м. во всех аг­ре­гат­ных со­стоя­ни­ях – твёр­дом, жид­ком, га­зо­об­раз­ном и в со­стоя­нии плаз­мы.

Л. м. долж­ны удов­ле­тво­рять ря­ду тре­бо­ва­ний: пре­ж­де все­го иметь на­бор энер­ге­тич. уров­ней, по­зво­ляю­щий эф­фек­тив­но вос­при­ни­мать под­во­ди­мую из­вне энер­гию и с воз­мож­но мень­ши­ми по­те­ря­ми пре­об­ра­зо­вы­вать её в ин­ду­ци­ро­ван­ное элек­тро­маг­нит­ное из­лу­че­ние. Л. м. долж­ны об­ла­дать очень вы­со­кой оп­тич. од­но­род­но­стью: гра­ди­ен­ты по­ка­за­те­ля пре­лом­ле­ния не долж­ны пре­вы­шать 10^–5– 10^–6 см^–1, а оп­тич. по­те­ри на час­то­те ге­не­ра­ции – 10^–3–10^–4 см^–1. Л. м. име­ют вы­со­кую те­п­ло­про­вод­ность, низ­кий ко­эф. тер­мич. рас­ши­ре­ния, обыч­но они стой­кие по от­но­ше­нию к разл. фи­зи­ко-хи­мич. воз­дей­ст­ви­ям, а так­же к воз­дей­ст­вию энер­ге­тич. на­кач­ки и собств. ла­зер­но­го из­лу­че­ния.

Твёр­дые Л. м. долж­ны об­ла­дать до­ста­точ­но вы­со­кой ме­ха­нич. проч­но­стью, что­бы без раз­ру­ше­ния вы­дер­жи­вать ме­ха­нич. об­ра­бот­ку (рез­ку, шли­фов­ку, по­ли­ров­ку) при из­го­тов­ле­нии из них ак­тив­ных эле­мен­тов.

Наи­бо­лее пред­ста­ви­тель­ная груп­па Л. м. – кри­стал­лы с при­ме­ся­ми. Крис­тал­лы не­ор­га­нич. со­еди­не­ний, про­стых и слож­ных по со­ста­ву фто­ри­дов (CaF₂, SrF₂, LaF₃, LiYF₄), ок­си­дов и со­лей (α-Al₂O₃, CaWO₄, YVO₄, Y₃Al₅O₁₂, Gd₃Ga₅O₁₂, YAlO₃), суль­фи­дов и се­ле­ни­дов (PbGa₂S₄, ZnSe, CdSe) со­став­ля­ют ос­но­вы (мат­ри­цы) Л. м. В ка­че­ст­ве ак­тив­ных при­ме­сей ис­поль­зу­ют­ся ио­ны ред­ко­зе­мель­ных эле­мен­тов (Pr³⁺, Nd³⁺, Sm²⁺, Dy²⁺, Er³⁺ и др.), пе­ре­ход­ных эле­мен­тов (Fe²⁺, Co²⁺, Ni²⁺, Cr³⁺ и др.) и U³⁺. Для по­вы­ше­ния ко­эф. пре­об­ра­зо­ва­ния энер­гии на­кач­ки в энер­гию ла­зер­но­го из­лу­че­ния час­то в кри­стал­лы-мат­ри­цы вво­дят вто­рые при­ме­си, т. н. сен­си­би­ли­за­то­ры, в ка­че­ст­ве ко­то­рых ис­поль­зу­ют ио­ны ред­ко­зе­мель­ных (Er³⁺, Yb³⁺) и пе­ре­ход­ных эле­мен­тов (напр., Cr³⁺).

Осо­бое ме­сто в ря­ду кри­стал­лич. Л. м. за­ни­ма­ют кри­стал­лы с цен­тра­ми ок­рас­ки. В этих Л. м. роль ак­тив­ных цен­тров, ге­не­ри­рую­щих ла­зер­ное из­лу­че­ние, иг­ра­ют де­фек­ты кри­стал­лич. ре­шёт­ки и их ас­со­циа­ты, за­хва­тив­шие или по­те­ряв­шие один элек­трон. В этой мно­го­числ. груп­пе Л. м., в ко­то­рую вхо­дят га­ло­ге­ни­ды ме­тал­лов и не­ко­то­рые ок­сид­ные со­еди­не­ния, вы­де­ля­ют­ся кри­стал­лы LiF c и цен­тра­ми ок­ра­ски. Цен­тры ок­ра­ски обыч­но об­ра­зу­ют­ся при об­лу­че­нии кри­стал­лов LiF разл. ио­ни­зи­рую­щи­ми из­лу­че­ния­ми (γ-лу­ча­ми, бы­ст­ры­ми элек­тро­на­ми).

Кон­цен­тра­ция ак­тив­ных при­ме­сей в кри­стал­лах со­став­ля­ет от 0,05 до не­сколь­ких де­сят­ков про­цен­тов по мас­се. Ге­не­ра­ция воз­бу­ж­да­ет­ся ме­то­дом оп­тич. на­кач­ки; при этом раз­ли­ча­ют спек­траль­но не­се­лек­тив­ную на­кач­ку, ко­гда воз­бу­ж­де­ние про­из­во­дит­ся с по­мо­щью га­зо­разряд­ных ламп, об­ла­даю­щих ши­ро­ким спек­тром из­лу­че­ния, и спек­траль­но се­лек­тив­ную, при ко­то­рой в ка­че­ст­ве ис­точ­ни­ков из­лу­че­ния на­кач­ки ис­поль­зу­ют­ся ла­зер­ные дио­ды или др. ла­зе­ры на кри­стал­лах, об­ла­даю­щие уз­ки­ми спек­тра­ми из­лу­че­ния. Се­лек­тив­ная на­кач­ка обес­пе­чи­ва­ет бо­лее вы­со­кий кпд ге­не­ра­ции (40–80%), чем не­се­лек­тив­ная (до 10%).

Ла­зер­ные кри­стал­лы обыч­но вы­ра­щи­ва­ют­ся пу­тём на­прав­лен­ной кри­стал­ли­за­ции рас­пла­вов в кри­стал­ли­за­ци­он­ных ап­па­ра­тах, обес­пе­чи­ваю­щих вы­со­кую точ­ность под­дер­жа­ния темп-ры рас­пла­ва и ско­ро­сти рос­та кри­стал­ла. Для вы­ра­щи­ва­ния кри­стал­лов ис­поль­зу­ют­ся рас­пла­вы вы­со­кой сте­пе­ни чис­то­ты. Кон­цен­тра­ции при­ме­сей, пре­пят­ст­вую­щих про­цес­су рос­та или ухуд­шаю­щих оп­тич. од­но­род­ность и спек­тро­ско­пич. свой­ст­ва кри­стал­лов, не долж­ны пре­вы­шать 0,01% по мас­се, а ли­ми­ти­руе­мых (наи­бо­лее опас­ных) – 0,001%.

Кри­стал­ли­зуе­мые рас­пла­вы за­клю­че­ны в ци­лин­д­рич. тиг­лях из ту­го­плав­ких ме­тал­лов (Pt, Ir, Mo) или гра­фи­та. В не­ко­то­рых тех­но­ло­ги­ях при­ме­ня­ют­ся спец. кон­тей­не­ры пря­мо­уголь­ной фор­мы из лис­то­во­го Mo. Вы­ра­щен­ные крис­тал­лы, пред­став­ляю­щие со­бой ци­лин­д­рич. бу­ли или пря­мо­уголь­ные пла­сти­ны, как пра­ви­ло, под­вер­га­ют­ся от­жи­гу для сня­тия внутр. ме­ха­нич. на­пря­же­ний. Мас­са вы­ра­щен­ных кри­стал­лов мо­жет дос­ти­гать не­сколь­ких де­сят­ков кг. Из вы­ра­щен­ных кри­стал­лов вы­ре­за­ют­ся ла­зер­ные ак­тив­ные эле­мен­ты в ви­де ци­лин­д­рич. стерж­ней дли­ной от не­сколь­ких мм до 250 мм и диа­мет­ром 2–20 мм, пря­мо­уголь­ных пла­стин и дис­ков. Ра­бо­чие по­верх­но­сти ак­тив­ных эле­мен­тов шли­фу­ют­ся и по­ли­ру­ют­ся по вы­со­ко­му клас­су точ­но­сти: па­рал­лель­ность тор­цов не ни­же 3–5″, а ше­ро­хо­ва­тость по­верх­но­стей не боль­ше 0,01 мкм.

К нач. 21 в. ши­ро­кое рас­про­стра­не­ние по­лу­чи­ли но­вые кри­стал­лич. Л. м. – т. н. ла­зер­ная оп­тич. ке­ра­ми­ка. В от­ли­чие от мо­но­кри­стал­лов, об­ла­даю­щих не­пре­рыв­ной, стро­го упо­ря­до­чен­ной струк­ту­рой, ла­зер­ная ке­ра­ми­ка пред­став­ля­ет со­бой по­ли­кри­стал­лич. ма­те­ри­ал, сло­жен­ный из мо­но­кри­стал­лич. зё­рен мик­рон­но­го раз­ме­ра. Ос­но­вой ла­зер­ных ке­ра­мик яв­ля­ют­ся не­ко­то­рые ок­сид­ные и фто­рид­ные со­еди­не­ния с ку­бич. кри­стал­лич. струк­ту­рой. Ке­ра­мич. Л. м. по­лу­ча­ют ком­пак­ти­ро­ва­ни­ем ис­ход­ных на­но­раз­мер­ных по­рош­ков. На на­чаль­ной ста­дии ком­пак­ти­ро­ва­ния ис­поль­зу­ет­ся ме­тод т. н. шли­кер­но­го ли­тья – оса­ж­де­ния плот­но­го осад­ка по­рош­ка из кон­цент­рир. сус­пен­зии, по­ме­щён­ной в спец. по­рис­тую во­до­по­гло­щаю­щую ке­ра­мич. фор­му. В за­клю­чит. ста­дии по­рис­тая за­го­тов­ка спе­ка­ет­ся в ва­ку­ум­ной пе­чи при темп-ре ни­же темп-ры плав­ле­ния ма­те­риа­ла. В про­цес­се спе­ка­ния про­ис­хо­дит тер­мо­сти­му­ли­ро­ван­ная са­мо­ор­га­ни­за­ция на­но­ча­стиц и за­го­тов­ка пре­вра­ща­ет­ся в мак­си­маль­но плот­ный оп­ти­че­ски про­зрач­ный ма­те­ри­ал. Пре­иму­ще­ст­во ла­зер­ной оп­тич. ке­ра­ми­ки пе­ред ла­зер­ны­ми кри­стал­ла­ми – су­ще­ст­вен­но бо­лее вы­со­кая ме­ха­нич. проч­ность. Кро­ме то­го, по­яв­ля­ет­ся воз­мож­ность за­да­вать про­из­воль­ные фор­му и раз­ме­ры ла­зер­ных эле­мен­тов.

См. так­же Ла­зер­ные стёк­ла.